CN102474300B - 基于ofdma的无线电网络中的通信方法、设备及其网络 - Google Patents

基于ofdma的无线电网络中的通信方法、设备及其网络 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用正交频分多址OFDMA信号(5)通过无线电网络(1)传输机器到机器M2M信号(7)的方法，该方法包括：将M2M信号(7)作为扩频波形嵌入到OFDMA信号(5)的带宽范围内，并且通过无线电接入网络(1)传输包含有M2M信号(7)的OFDMA信号(5)。本发明还涉及一种用于实现本方法的发送设备(2)、接收设备(2)以及无线通信网络(1)。

Description

基于OFDMA的无线电网络中的通信方法、设备及其网络
技术领域
本发明涉及通过无线电接入网络传输信号的方法。本发明还涉及在如无线电网络的基站中实现的发送设备及接收设备，并且涉及用于执行OFDMA的无线电网络。 
背景技术
本部分介绍了可能有助于更好的理解本发明的内容。相应地，本部分的叙述应该从这个角度来阅读，而不应理解为承认了什么是现有技术或者什么不是现有技术。 
未来的基于OFDMA的第四代(4G)蜂窝无线电接入技术家族(如3GPP的长期演进(LTE)、3GPP2 UMB或者WiMax)，可支持利基(niche)领域内高额的(即昂贵的)机器到机器(M2M)应用，但并没有准备好提供市场规模化、符合成本效益、并且大范围部署的M2M通信，其原因在于以下各方面的独特需求：大量/高密度的机器节点(例如用于传感器应用)、超低能耗、新的通信模式/服务质量(QoS)需求、超低占空比、方向性强且高冗余的信息流、以及低成本/低复杂度的系统。 
本文使用的术语M2M通信/信号是指需要从大量设备/节点以相对较低数据速率(如10kb/s或更低)远距离(10km或更远)传输数据的通信。可以预计到，为此，有效的蜂窝机器到机器通信将要求从空中接口到后续操作的彻底转变，而这仅仅是因为M2M通信独特的低成本/低复杂度需求。特别地，几乎无法将例如基于未来的OFDMA的RF/PHY/MAC协议栈的成本/复杂度/能量消耗降低到M2M传感器应用的需要。因此，M2M通信通常需要一种专用的空中接口。 
然而，关于机器到机器通信的现有标准并不充分：例如，短距离的类似Zigbee的标准(802.15.4等)仅具有有限的距离(通常小于50m)，并且工作在非许可ISM频段，因而无法保证QoS。另外，蜂窝空中接口的再利用将严重影响电池寿命(没有良好的休眠状态，信号处理负担重)，并且会导致RF/PHY/MAC协议栈的复杂度高，每个用户的成本也高。 
本发明的目的在于提供：一种通过基于OFDMA的无线电接入网络有效传输机器到机器(M2M)信号的方法。 
发明内容
通过一种方法来实现此目的，该方法包括：将M2M信号作为扩频波形嵌入到OFDMA信号的带宽范围内，并且通过无线电(接入)网络传输包含有该M2M信号的OFDMA信号。 
因此，发明人提出将低速率扩频M2M波形作为有效的无线电叠加网络嵌入到许可带宽内商用的基于OFDMA的无线电接入信号，从而能够对现有的小区位置/尺寸/频谱分配进行再利用，并且能够在RF/PHY/MAC各层提供有效的RAT网络互联机制。 
本技术方案能够最大化现有移动架构的再利用，并且能够在网络侧应用复杂的信号处理，从而利用已部署的蜂窝基站的巨大的基带处理能力/回程容量，并有可能应用M2M/蜂窝信号各层的联合检测/发送技术(如下所示)。因此，本发明使得运营商在M2M部署的早期阶段也能够最小化资本支出/运营开销，从而可以开辟大规模的蜂窝M2M市场。 
在一个实施方式中，M2M信号的扩频波形被嵌入到窄带未占用的时频块中，该时频块分布在OFDMA(基带)信号带宽范围上。这样，可以提供低速率多公里范围的跳频扩频叠加无线电M2M网络，该网络可以协同方式在基于OFDMA的射频接入系统(LTE、WiMAX、UWB)的(主用)系统频谱中的稀疏的(空间分布的)窄带频谱空洞中进行传送/发送。 
窄带时频块(频谱空洞)在OFDMA信号的带宽范围上的分布可动态控制，即频谱空洞可由于M2M/主用(如LTE)各层的联合需求由无线电接入系统/网络进行动态地自主管理。 
在一种改进方式中，窄带未占用时频块覆盖OFDMA基带信号的固定数量的子载波。保留少数几组OFDMA子载波(如2个到4个物理资源块)就足够执行M2M通信。 
在另一种改进方式中，M2M信号的窄带时频块的持续时间是OFDMA时频块的持续时间的整数倍。传输M2M信号所用时频块的持续时间可以是固定的或者可以由无线电接入系统动态调整。 
在另一个实施方式中，(低速率)M2M信号的嵌入是通过在OFDMA基带信号的带宽范围上叠加扩频波形来实现的。在这种情况下，低速率M2M直序扩频波形直接叠加到高速率OFDMA波形上，典型地，该波形扩展到OFDMA信号的整个传输带宽上。然而，也有可能使用仅覆盖OFDMA信号的部分带宽的扩频波形。 
M2M信号的速率可以是OFDMA信号速率的至多1/5，某些情况下可以是至多1/10。选择M2M信号的速率显著低于OFMDA信号的速率尤其有利于应用如前所述的叠加技术，在这种情况下，可以例如通过低通滤波来减少跨层干扰，并且对从OFDM信号中提取M2M信号进行简化。 
任何情况下，为了从OFDMA信号中提取所嵌入的M2M信号，可以执行联合检测或串行干扰消除(SIC)。因此，通过在网络接收侧应用联合检测/SIC技术可以简化M2M信号的提取。而且，可在发送侧应用干扰已知的信号发送技术，以最小化跨层干扰。使用这种高级信号处理技术，有可能结合网络MIMO(多点发送/接收，例如通过为天线阵列提供空间上间隔带宽频谱的中心波长的大约一半的多个天线元件)，能够利用已安装的基站基础架构(尤其用于诸如3GPP LTE之类的未来系统)的计算能力来降低低速率叠加M2M信号在主用信号(OFDM)部分中的影响。 
本领域技术人员应该想到上述方法可在计算机程序产品中实 现，后者在合适的软件或硬件中实现，特别是现场可编程门阵列(FPGA)或专用集成电路(ASIC)，其可以实现为插入到例如基于FPGA的无线电传输系统的基站的适合的硬件插槽内的直接插入式(in-line)卡片。本领域技术人员容易想到还可能在仅适于将M2M信号嵌入到OFDM信号中和/或适于从OFDM信号中提取M2M信号的直接插入式卡片中实现上述方法/计算机程序产品，OFDM信号的发送/接收以传统方式实现于已经为此部署在例如基站中的硬件中。 
另一方面涉及发送设备，特别是无线电网络的基站，包括生成单元，用于生成正交频分多址(OFDMA)信号，以及无线电发送单元，用于OFDMA信号的无线电发送，该生成单元用于将(低速率)M2M信号作为扩频波形嵌入到OFDMA信号的带宽范围内。所嵌入的M2M信号随后可以作为OFDMA信号的一部分在无线网络上发送，为此该发送单元包括例如一个或多个RF天线。 
应理解与上述发送设备相对，用于接收及发送M2M信号的终端(传感器设备或其他)不必适于处理OFDMA信号。例如，利用将M2M信号叠加在OFDMA信号上的叠加方式时，使用M2M终端中仅适于处理M2M信号的收发信机就足够了。 
在一个实施方式中，生成单元用于将M2M信号的扩频波形嵌入到窄带未占用的、分布在OFDMA信号带宽范围上的时频块中，从而实现了跳频扩频的叠加无线电M2M网络，其在稀疏的(空间分布的)窄带频谱空洞上进行传送/发送。 
在该实施方式的一种改进中，生成单元用于动态地控制窄带时频块在OFDMA信号的带宽范围上的分布，从而能够由于M2M以及人到人(H2H)、人到机器(H2M)的发送的联合需求分别由无线电接入系统/网络进行动态地自主管理。 
在一个替代实施方式中，生成单元用于在OFDMA信号的带宽范围上叠加低速率M2M信号的扩频波形。典型而言，此扩频波形被扩展到OFDMA信号占用的整个波长频带上，以最小化跨层干扰。而且，使用例如已知干扰的高级发送技术可以应用于发送侧以进一 步降低跨层干扰。本领域技术人员应理解，需要在来源于不同终端的已叠加M2M信号的上行传输之间进行某种协同，这可以通过在来自发送设备的下行信号中传输适当的信令来实现。 
另一方面在接收设备中实现，特别是无线电接入系统的基站，包括：接收单元，用于接收正交频分多址(OFDMA)信号，以及提取单元，用于从OFDMA信号中提取低速率M2M信号，低速率M2M信号的扩频波形被嵌入到OFDMA信号中。接收设备可在机器终端中实现，该机器终端从OFDMA信号中提取所需的M2M信息。可替代地，接收设备可在基站中实现，该接收设备例如实现为天线或者天线阵列。基站可连接到(核心)计算机网络(如互联网)，并且用于从OFDMA信号中提取M2M信号，以产生将要通过核心网发送的两个独立的数据流，第一个(低速率)数据流包含M2M信号的信息，第二个(高速率)数据流包含用于H2M及H2H通信的主用OFDMA信号的信息。应理解，接收设备还可实现为装配在例如基站中的直接插入式卡片，该接收单元用于从已部署在基站中的、用于实现无线电信号的发送/接收的天线/收发信机接收OFDMA信号。 
最后一方面涉及用于执行正交频分多址(OFDMA)的无线电网络，特别地基于IEEE 802.16(WiMAX)标准、IEEE 802.11a/g(WLAN)标准、或者3GPP eUTRAN(LTE/LTE-Advanced)标准，该无线电(接入)网络包括如前所述的发送设备以及如前所述的接收设备中的至少一个。应理解，接收设备及发送设备可实现为同一物理实体，特别是可放置在例如无线电接入网络的基站内的收发信机(卡)。 
在参照显示了大量细节的附图对示例性实施方式进行的以下描述中叙述了、并且通过权利要求定义了其他特征及优点。各个特征可以各自单独地实现，或者几个特征可以任何所需的组合方式实现。 
附图说明
在图示性附图中显示了示例性实施方式，并在以下描述中对其进行了解释。以下显示了： 
图1显示了执行M2M通信的无线电接入网络的一个实施方式的示意性示图，以及 
图2显示了嵌入了扩频M2M波形的OFDMA主用信号的时频图。 
具体实施方式
图1显示了用于执行正交频分多址(OFDMA)的无线电接入网络1。无线电接入网络1可以符合至少一种无线通信标准，例如IEEE 802.16(WiMAX)标准、IEEE 802.11a/g(WLAN)标准、或者3GPP eUTRAN(LTE/LTE-Advanced)标准。接入网络1包括多个互相连接以协同发送/接收无线电信号的基站2。 
为了将OFDMA信号发送到终端用户的终端4，基站2包括无线电天线阵列(空中接口)形式的无线电发送及接收单元2a，以及适于生成通过空中接口2a发送的OFDMA基带信号的生成单元2b。 
基站2中的至少一个连接到数据网络3(例如互联网)，以提供到适于接收及发送高数据速率OFDMA(主用)信号5的多个移动终端用户的终端4的宽带接入。而且，每个终端用户的终端4都包括一个终端用户接口(未显示)，以使得终端用户能够接入核心网络3，和/或与其他终端用户的终端4交换数据。 
图1中的无线通信网络1还具有多个机器终端6。机器终端6可以例如为传感器设备，其可测量诸如压力、温度等之类的某些物理特性。为了在多个机器终端6之间共享测量数据，和/或为了通过核心网络3将测量数据发送到一个远程位置，在无线通信网络1中实现用于机器到机器通信的叠加网络。典型而言，当终端用户的终端4发送/接收的数据与机器终端6无关时可以使用这种叠加网络，反之则不使用该叠加网络。而且，与OFDMA主用信号5相比，机器终端6的M2M信号7的数据速率较低(例如，为1/5或1/10)。 
为了在图1的无线网络1中实现叠加网络，在基站2的生成单元2b中将低速率M2M信号7作为扩频波形叠加在OFDMA主用波 形5上，基站2将组合信号下行发送到机器终端6以及用户终端4。 
在当前示例中，M2M信号7直接叠加在OFDMA信号5上(例如，通过将两个信号7，5的幅度或功率水平相加)，其中M2M信号7被扩展到OFDMA(基带)信号5的整个带宽范围BWOFDMA(对照图2)，以保持较低的跨层干扰。机器终端6具有适于在OFDMA信号5的频谱带宽内发送和接收低速率M2M信号7的收发信机(未显示)。应理解，在上行链路中，可以使用例如时分多址，并有可能基于包含在来自基站2的OFDMA/M2M下行信号中的信令信息，实现来自不同机器终端6的M2M信号的协同发送。而且，对于从OFDMA信号5中提取M2M信号7，机器终端6本身无需具备处理OFDMA信号5的能力，即机器终端6可以只适于处理低速率M2M信号7，例如将高速OFDMA信号5部分视为噪声。在后一种情况中，来自基站2的信令信息通常包含于M2M下行信号7中。 
基站2通常还包括提取单元2c，其适于从复合的OFDMA信号5中提取低速率M2M信号7。为此，解析单元2c可配备合适的处理设备，如低通滤波器。随后，M2M信号7以及OFDMA主用信号5包含的数据可以独立的数据流的形式通过核心网3传输。 
作为上述直接叠加的一种替代方案，可以下面参考表示OFDMA信号5的时频图的图2描述的方式，将M2M信号7嵌入到OFDMA主用信号5内。OFDMA信号5划分为多个时频块8，每个块对应于频域内OFDMA格式的一个子载波，并具有通常与被发送符号的持续时间相对应的固定的持续时间TOFDMA。从图2中还可以得出，OFDMA主用信号5包括多个未占用的时频块7a到7e(也称为频谱空洞(spectrum hole))，这些块分布在OFDMA主用信号5的带宽范围BWOFDMA上，并且用作扩频波形，以便以协同方式传输M2M信号7。 
用于传输M2M信号7的时频块7a到7e的分布可由于M2M层以及H2M/H2H层的联合需要而由无线电接入系统1进行动态地自主管理。在图2的示例中，使用了在OFDMA信号5的频谱上扩展的 固定数量的OFDMA子载波(占用4个物理资源块)。而且在图2的示例中使用了时频块7a到7e的固定的持续时间TM2M，持续时间TM2M是OFDMA时频块8的持续时间TOFDMA的整数倍，例如5倍。当然，时频块7a到7e所占用的持续时间和子载波个数都可以动态调整。在任何情况下，机器终端6以及用户终端4的上行发送都应该例如通过从基站2提供下行信令来进行协同。 
在上述两种情况下，为了从OFDMA信号5中提取所嵌入的M2M信号7，可以在基站2的提取单元2c和/或机器终端6中执行联合检测和/或串行干扰消除(SIC)。而且，诸如干扰已知的信号发送之类的高级信号处理技术可以应用于基站2的生成单元2b中，并且还可能应用于机器终端6中，以最小化跨层干扰。本领域技术人员应想到，也可以应用诸如网络MIMO(多点发送/接收)之类的其他高级的信号处理技术来降低低速率叠加M2M信号7对主用信号(OFDM)部分5的影响。 
总之，将M2M信号7嵌入到OFDMA信号5中能够最大化现有架构的再利用，以及能够在网络侧应用复杂的信号处理，从而利用已部署的4G蜂窝基站的巨大的基带处理能力/回程容量，并有可能应用M2M/蜂窝信号各层的联合检测/发送技术。特别地，可以对现有基站2进行软件升级以实现M2M信号传输能力。 
本领域技术人员应想到上述类型的叠加网络不限于机器终端间的通信，因为其他类型的信号也可以在这种叠加网络中传输。然而，典型而言，相对于OFDMA主用信号的数据速率，在叠加网络中分布的信号的数据速率将降低，特别是OFDMA主用信号的属性使得在叠加网络中发送的信号成为“M2M信号”。 
已经通过示例的方式对优选实施方式进行了上述描述。根据所给出的公开内容，本领域技术人员不仅会理解本发明及其附带优点，而且会发现所公开的结构及方法的各种明显改变及修改。因此，申请人寻求覆盖如所附权利要求所定义的所有这种改变和修改，及其等效内容。 

Claims (17)

1.一种使用正交频分多址OFDMA信号(5)通过无线电网络(1)传输机器到机器M2M信号(7)的方法，所述方法包括：
将所述M2M信号(7)作为扩频波形嵌入到所述OFDMA信号(5)的带宽范围(BWOFDMA)内，以及
通过所述无线电接入网络(1)传输包含有所述M2M信号(7)的所述OFDMA信号(5)，所述M2M信号(7)的数据速率低于所述OFDMA信号(5)，其中将所述M2M信号(7)的所述扩频波形嵌入到分布在所述OFDMA信号(5)的所述带宽范围(BWOFDMA)上的窄带未占用时频块(7a到7e)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述窄带未占用时频块(7a到7e)在所述OFDMA信号(5)的带宽范围(BWOFDMA)上的分布是动态控制的。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述窄带未占用时频块(7a到7e)覆盖所述OFDMA基带信号(5)的固定数量的子载波。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述M2M信号(7)的所述窄带未占用时频块(7a到7e)的持续时间(TM2M)是OFDMA时频块(8)的持续时间(TOFDMA)的整数倍。
5.根据权利要求1所述的方法，其中低速率M2M信号(7)的嵌入是通过在所述OFDMA基带信号(5)的所述带宽范围(BWOFDMA)上叠加所述扩频波形来实现的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述M2M信号(7)的速率为所述OFDMA信号(5)的速率的至多1/5。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述M2M信号(7)的速率为所述OFDMA信号(5)的速率的至多1/10。
8.根据权利要求1所述的方法，其中执行联合检测以及串行干扰消除中的至少一个，以从所述OFDMA信号(5)中提取所嵌入的M2M信号(7)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中执行多点发送及多点接收中的至少一个，以通过所述无线电接入网络(1)传输所述OFDMA信号(5)。
10.一种无线电网络(1)的发送设备，包括：
生成单元(2b)，用于生成正交频分多址OFDMA信号(5)，以及
无线电发送单元(2a)，用于对所述OFDMA信号(5)进行无线电发送，其中
所述生成单元(2b)用于将M2M信号(7)作为扩频波形嵌入到所述OFDMA信号(5)的带宽范围(BWOFDMA)内，所述M2M信号(7)的数据速率低于所述OFDMA信号(5)，其中所述生成单元(2b)用于将所述M2M信号(7)的所述扩频波形嵌入到分布在所述OFDMA信号(5)的所述带宽范围(BWOFDMA)上的窄带未占用时频块(7a到7e)中。
11.根据权利要求10的发送设备，其中所述发送设备是基站(2)。
12.根据权利要求10所述的发送设备，其中所述生成单元(2b)用于动态控制所述窄带未占用时频块(7a到7e)在所述OFDMA信号(5)的所述带宽范围(BWOFDMA)上的分布。
13.根据权利要求10所述的发送设备，其中所述生成单元(2b)用于在所述OFDMA信号(5)的所述带宽范围(BWOFDMA)上叠加所述M2M信号的所述扩频波形。
14.一种无线电接入系统(1)的接收设备，包括：
接收单元(2a)，用于接收正交频分多址OFDMA信号(5)，以及
提取单元(2c)，用于从所述OFDMA信号(5)中提取数据速率低于所述OFDMA信号(5)的M2M信号(7)，所述M2M信号(7)的扩频波形嵌入到所述OFDMA信号(5)中，其中所述提取单元(2c)用于从所述OFDMA信号(5)的带宽范围(BWOFDMA)上的窄带未占用时频块(7a到7e)中提取所述M2M信号(7)的所述扩频波形。
15.根据权利要求14的接收设备，其中所述接收设备是基站。
16.一种无线电网络(1)，用于执行正交频分多址OFDMA，并且包括根据权利要求10所述的发送设备(2)以及根据权利要求14所述的接收设备(2)中的至少一个。
17.根据权利要求16的无线网络，其中所述无线网络是基于IEEE802.16(WiMAX)标准、IEEE802.11a/g(WLAN)标准、或者3GPP eUTRAN(LTE/LTE-Advanced)标准的无线网络。
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